оптимизация негативного воздействия горного производства с

Е.М. Цейтлин
ОПТИМИЗАЦИЯ
НЕГАТИВНОГО
ВОЗДЕЙСТВИЯ
ГОРНОГО
ПРОИЗВОДСТВА
С ПОМОЩЬЮ
ИНТЕГРАЛЬНОГО
КРИТЕРИЯ ОЦЕНКИ
ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ
ОПАСНОСТИ
2013
УДК 504.5:622+519.812.3
Ц 32
Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для взрослых» СанПиН 1.2.1253-03, утвержденным Главным государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ
29.124—94). Санитарно-эпидемиологическое заключение Федеральной
службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия
человека № 77.99.60.953.Д.014367.12.12
Ц 32
Цейтлин Е.М.
Оптимизация негативного воздействия горного производства
с помощью интегрального критерия оценки экологической опасности // Горный информационно-аналитический бюллетень
(научно-технический журнал). Отдельная статья (специальный
выпуск). — 2013. — № 6. — 16 с.— М.: издательство «Горная
книга»
ISSN 0236-1493
В современных условиях ограниченности материальных ресурсов
объективная и достаточно быстрая оценка степени экологической опасности того или иного технологического или организационного решения,
предприятия в целом, является насущной необходимостью. В данной
статье описан новый подход к оценке экологической опасности горного
производства, который позволяет оптимизировать его негативное воздействие на окружающую среду.
Ключевые слова: экологическая опасность, экологическая безопасность, негативное воздействие на окружающую среду, оценка экологической опасности, интегральный критерий.
УДК 504.5:622+519.812.3
ISSN 0236-1493
© Е.М. Цейтлин, 2013
© Издательство «Горная книга», 2013
© Дизайн книги. Издательство
«Горная книга», 2013
По сравнению с воздействием на окружающую природную
среду различными промышленными комплексами, горные предприятия оказывают наиболее сильное и разностороннее воздействие на геосферы: литосферу, гидросферу, атмосферу, биосферу, а также искусственную сферу обитания человека (социосферу) [1, 2, 3]. Увеличение объемов извлекаемой на поверхность
горной массы, чаще всего за счет месторождений с малым содержанием полезных ископаемых, сопровождается прогрессирующим накоплением на земной поверхности хвостов переработки минералов, в связи с чем горное производство становится
все более агрессивным по отношению к окружающей среде [4].
Площадь отвалов горнодобывающих и перерабатывающих производств в мире превышает 10 млн. га. В России функционирует
около 4000 предприятий по добыче и переработке минерального
сырья. Действует более 600 шахт м рудников с подземной добычей угля, руд металлов, минеральных удобрений, а также более 400 карьеров и разрезов. В угольной промышленности работают 230 шахт и 65 разрезов, 74 обогатительные фабрики. Только в России количество неутилизированных отходов горного
производства достигает 45 млрд тонн на площади 250 тыс. га.
Ареной экологической катастрофы уже стали регионы интенсивной добычи сырья, в том числе, Урал, который включает
Свердловскую область, Курганскую область, тюменскую область, Челябинскую область, Ханты-мансийский и ЯмалоНенецкий автономный округа. Среди данных субъектов федерации львиную долю вносят горные предприятия свердловской
области. Так, в 2011 году, по данным государственной статистической отчетности, из более чем 1 млн выброшенных загрязняющих веществ в атмосферный воздух по Свердловской области, более 30 % пришлось на горнопромышленный комплекс, из
более чем 500 тыс сброшенных загрязняющих веществ, более
50 % пришлось на горнопромышленный комплекс, из более чем
185 млн тонн образованных отходов, более 90 % пришлось на
горнопромышленный комплекс. Всего в отвалах, хвостохранилищах, террикониках и других местах размещения отходов по
Свердловской области размещено более 8.5 млрд тонн промышленных отходов, которые оказывают негативное воздействие на
окружающую среду и здоровье человека.
3
Складывающаяся ситуация не сопровождается уменьшением
противоречий в системе человек-природа. В условиях рыночных
отношений разрыв между общими представлениями о биосфере,
системной взаимосвязи геосфер, техногенезе и других категориях
и практикой реализации природоохранных мер, связанных со
спецификой горного производства увеличивается. В связи с этим
обеспечение экологической безопасности горнодобывающей
промышленности в настоящее время является весьма актуальной
задачей.
Под экологическим обеспечением ГП понимается создание
системы научно-обоснованных организационно-технических мер
по минимизации негативных воздействий на ОС при рациональном, экологически эффективном использовании недр на основе
новых прогрессивных технологий и совершенствования нормативно-правовых отношений.
В современных условиях ограниченности материальных ресурсов объективная и достаточно быстрая оценка степени экологической опасности того или иного технологического или организационного решения, предприятия в целом, является насущной
необходимостью.
Сегодня как в нормативных документах, так и в научнотехнической литературе не разработаны единые четкие критерии,
в соответствии с которыми можно комплексно оценить уровень
экологической опасности горного производства. Существует три
принципиально различных подхода для оценки экологической
опасности: подход, основанный на показателях нормирования [5],
на оценке экологического риска [6] и подход, основанный на методе «интегрального критерия» [7,8]. Основные недостатки существующих подходов заключаются в следующем: 1) Невозможность ранжирования предприятий по степени экологического
воздействия на окружающую среду; 2) Невозможность учета специфики воздействий промышленных объектов; 3) Сложность в
поиске приоритетных экологических задач для предприятия
[9,10, 11].
Таким образом, задача разработки метода комплексной оценки экологической безопасности горного производства с учетом
уже имеющихся научных подходов сегодня весьма актуальна.
4
Отмеченные недостатки затрудняют оценку воздействия
предприятий на окружающую среду и создают сложности при
поиске приоритетных экологических проблем для предприятий.
Соответственно необходимо разработать новый подход, который
должен учитывать недостатки существующих подходов, внедрение которого должно позволить оптимизировать негативное воздействие горного производства на окружающую среду.
Под оптимизацией негативного воздействия горного производства понимается выбор наиболее эффективных инженернотехнических мероприятий для решения приоритетных экологических задач предприятия на основе оценки экологической безопасности горного предприятия.
Экологическое воздействие горного производства в значительной мере обусловлено видом полезного ископаемого, условиями залегания, объемами и технологией добычи и переработки,
также географо — экономическим положением объекта. С последним связаны климат, ландшафтно-географические условия,
гидрографические характеристики района, а также фоновый уровень загрязнений окружающей среды. Вид полезного ископаемого во многом определяет технологию и технику, применяемые
при добыче полезного ископаемого, а также тип и уровень выбросов, сбросов загрязнений в окружающую среду, характер и
количество размещаемых отходов.
Оптимизация негативного воздействия горного производства
на окружающую будет проходить в 2 этапа:
1. Комплексная оценка экологической безопасности горного
производства и выбор его приоритетных экологических задач;
2. Выбор наиболее эффективного природоохранного мероприятия, внедрение которого позволит оптимизировать негативное воздействие горного производства на окружающую среду.
Алгоритм комплексной оценки экологической опасности
горного производства и выбора его приоритетных экологических
задач представлен на рис. 1.
Для определения степени экологической безопасности необходимо комплексно оценить негативное воздействие горного
предприятия на окружающую среду. При этом степень экологической воздействия тесно связана со степенью экологической
5
безопасности. Чем выше воздействие, тем ниже экологическая
безопасность и тем выше экологическая опасность.
Оценка экологического воздействия предприятия на окружающую среду подразумевает проведение оценки его воздействия на все элементы биосферы: литосферу, атмосферу, гидросферу и биоценозы и зооценозы.
Оценку экологической опасности производства предлагается
производить по четырем базовым факторам (выброс, сброс, отходы, нарушенные земли), а также по трем дополнительным факторам (вид полезного ископаемого, способ обогащения, способ разработки). Под базовыми факторами понимаются факторы, характерные для любого предприятия, под дополнительными — факторы, учитывающие специфику горного производства.
Все показатели, имеют разные шкалы оценки и разный физический смысл с одной стороны, и требуют сравнивания друг с
другом с другой. Фактически мерой каждого показателя на начальном уровне является его качественное или векторное описание [8] Для оценки степени экологической опасности горного
производства необходимо преобразовать векторное описание
системы с многими показателями в скалярное (метод интегрального критерия). Скалярное описание системы, которое используется для принятия решения, называется целевой функцией. Целевую функцию N можно представить в виде:
m
N ij = ∑ λ ij ϕij μ j
(1)
i =1
где N — интегральный показатель экологической опасности горного производства, характеризующий степень его экологической
опасности, λ — показатель весомости базового фактора для элемента биосферы, φ — показатель уровня воздействия базового
показателя на элемент биосферы, µ — показатель уровня воздействия дополнительных факторов, i — количество показателей
(базовых), определяющих экологическую опасность предприятия,
j — элемент биосферы (атмосфера, гидросфера, литосфера), m —
количество базовых факторов воздействия.
Интегральный показатель N является безразмерной величиной и может принимать значения от 0 до 1 (в отдельных случаях,
при превышении фактического загрязнения окружающей среды
нормативов предельно допустимого загрязнения может быть больше
6
Рис. 1. Алгоритм комплексной оценки экологической опасности горного производства и выбора его приоритетных экологических задач
больше единицы 1) Чем ближе данный показатель к единице —
тем более высокое экологическое воздействие оказывает горное
предприятие на окружающую среду.
Показатель весомости базового фактора λ определяет вклад
базового фактора относительно других факторов в воздействие на
элемент биосферы. Значения показателя весомости показателя
воздействия для каждого из видов воздействия могут принимать
значения от 0 до 1и определяется методом экспертных оценок. Для
наиболее значимого фактора воздействия показатель весомости
принимает значение 1. Для наименее — 0. При этом суммарная весомость каждого показателя, влияющего на экологическую опасность производства для всех элементов биосферы не превышает 1:
λ1j + λ2j+…+ λnj=1
(3)
где n — количество факторов воздействия, j — элемент биосферы.
7
Показатель уровня воздействия базового фактора определяет
интенсивность воздействия данного фактора на окружающую
среду и определяется аналитическим методом.
Значение показателя φ определяется следующим образом:
ϕij = 1 −
kij max − kij
kij max
(2)
где ϕij–показатель уровня воздействия фактора воздействия на
окружающую среду, kij — значение интенсивности воздействия
фактора на элемент биосферы, а kijmax–максимально возможный
уровень воздействия фактора на окружающую среду. С ростом
интенсивности воздействия растет уровень воздействия
Показатель уровня воздействия дополнительных факторов
определяет интенсивность воздействия факторов, учитывающих
специфику воздействия горного производства на элементы биосферы и определяется экспертно-аналитическим методом.
μ nj = 1 −
n
ptj max − ptj
t =1
ptj max
∑
n
(6)
где Pti — величина интенсивности воздействия фактора, учитывающего специфику горного производства на j-ый элемент биосферы, определенная экспертным методом; Ptimax — максимальная величина интенсивности воздействия фактора, учитывающего специфику горного производства; t –фактор воздействия, учитывающих специфику горного производства; n — количество
факторов воздействия, учитывающих специфику горного производства; μnj — показатель воздействия дополнительных факторов, учитывающий специфику горного производства/
Данный поправочный показатель рассчитывается для каждого из элементов биосферы и в дальнейшем учитывается при поиске приоритетных экологических задач для горного предприятия.
С учетом вышеизложенного поиск приоритетных экологических задач для горного предприятия сводится к расчету интегрального показателя экологической опасности для горного производства.
8
В общем случае оценка экологической опасности i-ого фактора воздействия для j-ого элемента биосферы будет проводится:
N ij = λ ij (1 − (kij max
n p
⎛
tj max − ptj
⎜ ∑
ptj max
t =1
− kij ) / kij max ) ⋅ ⎜1 −
⎜
n
⎜⎜
⎝
⎞
⎟
⎟
⎟
⎟⎟
⎠
(7)
а kijmax–максимально возможный уровень воздействия фактора
воздействия на окружающую среду, kij — значение интенсивности
воздействия фактора воздействия на элемент биосферы, При этом
kij — значение интенсивности воздействия i-ого фактора воздействия на j-ый элемент биосферы, которое рассчитывается по (4),
kijmax — это максимально возможный уровень воздействия воздействия i-ого фактора воздействия на j-ый элемент биосферы, который рассчитывается по (5), λij — показатель весомости воздействия i-ого фактора воздействия для j-ый элемент биосферы, Pti —
величина интенсивности воздействия фактора, учитывающего
специфику горного производства на j-ый элемент биосферы, определенная экспертным методом, Ptimax — максимальная величина
интенсивности воздействия фактора, учитывающего специфику
горного производства, определенная экспертным методом, t –
фактор воздействия, учитывающих специфику горного производства, n — количество факторов воздействия, учитывающих специфику горного производства, m — количество базовых факторов воздействия.
Результаты расчета интегрального показателя экологической
опасности i-ого фактора воздействия на j-ый элемент биосферы
сводятся в табл. 1. И затем рассчитывается интегральный показатель экологической опасности всех факторов воздействия на элемент биосферы, результаты которого сводятся в эту же таблицу.
Расчет интегрального показателя экологической опасности
суммарного воздействия для окружающей среды производится:
Nfij = N1j+N2j+ N3j+…+Nij
(8)
где Nfij — интегральный показатель экологической опасности
суммарного воздействия для окружающей среды, N1j — интегральный показатель экологической опасности 1-ого фактора
9
воздействия для j-ого элемента биосферы, N2j — интегральный
показатель экологической опасности 2-ого фактора воздействия
для j-ого элемента биосферы, N1j — интегральный показатель
экологической опасности 3-ого фактора воздействия для j-ого
элемента биосферы, Nij — интегральный показатель экологической опасности i-ого фактора воздействия для j-ого элемента
биосферы.
Интегральный показатель экологической опасности всех факторов воздействия является критерием выбора элемента биосферы,
на который горное предприятие оказывает преимущественное воздействие (или приоритетный элемент биосферы). Интегральный
показатель экологической опасности фактора воздействия для приоритетного элемента биосферы, будет являться критерием выбора
приоритетной экологической задачи для горного предприятия.
Он определяется для всех базовых факторов воздействия. Тот
фактор воздействия, для которого данный показатель будет максимальным и будет приоритетной экологической задачей для
горного предприятия.
В общем случае требования к критерию выбора приоритетных экологических задач можно записать следующим образом:
Nij (λ, ϕ, μ) → max
(9)
⎧0 ≤ λ ij ≤ 1
⎪
⎨0 ≤ ϕij < ∞
⎪
⎩0 ≤ μ mj ≤ 1
Таблица 1
Результаты расчета интегрального показателя экологической
опасности i-ого фактора воздействия на j-ый элемент биосферы
Факторы воздейстФактор
вия/Элемент биосфе- воздейстры
вия № 1
Фактор
воздействия № 2
Фактор
воздействия № 3
Фактор
Суммарное
воздейст- воздействие
вия № i факторов на
элемент биосферы
Атмосфера
N11
N21
N31
Ni1
Nfi1
Гидросфера
N12
N22
N32
Ni2
Nfi2
Литосфера
N13
N23
N33
Ni3
Nfi3
10
где Nij — интегральный показатель экологической опасности i-ого
фактора воздействия на j-ый элемент биосферы, Nfij — интегральный показатель экологической опасности суммарного воздействия
на j-ый элемент биосферы, λij — показатель весомости i-ого фактора воздействия на j-ый элемент биосферы, ϕij — показатель уровня
воздействия i-ого фактора воздействия на j-ый элемент биосферы,
μmj — поправочный показатель, учитывающий специфику воздействия горного производства, где m — фактор воздействия, учитывающий специфику производства, j — элемент биосферы.
Предлагаемый подход оценки экологической безопасности
горных предприятий обладает следующими преимуществами:
1. Комплексно оценивает воздействие горных предприятий
на окружающую среду;
2. Позволяет ранжировать горные предприятия по степени
экологической безопасности;
3. Позволяет эффективно перераспределять средства, направленные на минимизацию воздействия горных предприятий
на окружающую среду;
4. Учитывает специфическое воздействие горных предприятий на окружающую среду;
5. Позволяет выбрать наиболее эффективное мероприятие,
направленное на решение приоритетных экологических задач
предприятия;
Рис. 2. Алгоритм выбора наиболее эффективного мероприятия
11
6. Не исключает использования ранее разработанных методик, но дополняет их.
После определения приоритетных экологических задач горного предприятия необходимо выбрать несколько мероприятий,
которые способны решить данные задачи, а затем определить
наиболее эффективное мероприятие, внедрение которого наиболее экологически оптимально и эффективно.
Алгоритм выбора наиболее эффективного мероприятия, внедрение которого наиболее экологически оптимально и эффективно показано на рис. 2.
Для этого необходимо определить показатель экологической
безопасности каждого из мероприятий.
Для определения показателя экологической безопасности
также необходимо воспользоваться методом «интегрального критерия».
Расчет данного показателя производится по следующей
формуле:
n
Ei = ∑ λ i
i =1
ki max − ki
,
ki max
(10)
где i — фактор воздействия мероприятия на окружающую среду,
Ei — интегральный показатель экологической безопасности мероприятия, ki — интенсивность влияния i-ого фактора воздействия мероприятия на окружающую среду, после его внедрения, kimax —
интенсивность влияния i-ого фактора воздействия мероприятия
на окружающую среду, до его внедрения, λi — весомость i-ого
фактора воздействия для окружающей среды.
Мероприятие, для которого интегральный показатель экологической безопасности максимален и будет наиболее эффективным. Внедрение такого мероприятия позволит оптимизировать негативное воздействие горного мероприятия на окружающую среду.
В математическом виде данное утверждение выглядит следующим образом:
E(λ, ϕ) → max,
⎧0 < λ < 1
⎨
⎩−∞ < ϕ ≤ 1.
12
(11)
Согласно данному утверждению критерием выбора наиболее эффективного мероприятия является интегральный показатель экологической безопасности. То мероприятие, для которого
данный показатель максимальный и будет наиболее эффективным. При этом данный показатель зависит от двух параметров:
показателя весомости фактора и показателя уровня воздействия
фактора.
В результате проведенных исследований был предложен
новый подход к оценке воздействия горного производства на
окружающую среду и экологической безопасности самого
предприятия, включающий учет интенсивности воздействия с
ранжированием по уровням влияния всех факторов воздействия на все элементы биосферы: атмосферу, литосферу, гидросферу и социосферу. Данный подход позволяет ранжировать
предприятия по степени экологической безопасности, выявлять приоритетные экологические задачи горных предприятий,
искать наиболее эффективные инженерно-технические решения, способные решить данные задачи, выбирать наиболее
экологически безопасные технологические параметры для технологических решений. Предложенный метод подходит не
только для горных предприятий, но для ряда прочих промышленных объектов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Хохряков А.В., Фадеичев А.Ф., Цейтлин Е.М. «Динамика изменения воздействия ведущих горных предприятий Урала на окружающую среду», Известия высших учебных заведений. Горный журнал,№ 8,
2011, С. 44—53.
2. Фадеичев А.Ф., Хохряков А.В., Гревцев Н.В. Цейтлин Е.М. «Динамика негативного воздействия на окружающую среду на разных стадиях развития горного производства», Известия высших учебных заведений. Горный журнал, № 1, 2012. — С. 39—46.
3. Александров Б.М., Гревцев Н.В., Шампаров А.Г., Цейтлин Е.М.
«Проблемы охраны окружающей среды и рационального природопользования в условиях Свердловской области», Горный информационноаналитический бюллетень (научно-технический журнал) № 4, 2012. —
С. 346—350.
13
4. Голик В. И., Комащенко В. И., Леонов И. В. Горное дело и окружающая среда, издательство Академический проект, Культура, 2011. —
216 с.
5. Федеральный закон от 10 января 2002 г. N 7-ФЗ «Об охране окружающей среды» с изменениями от 25.06.2012
6. Акимов В.А., Лесных В.В., Радаев Н.Н. Риски в природе, техносфере, обществе и экономике, М.: Деловой Экспресс, 2004, 352 с.
7. Астахов А.С., Диколенко Е.А., Харченко В.А. Экологическая
безопасность и эффективность природопользования, М, 2009, 328 с.
8. Пэнтл Р. Методы системного анализа окружающей среды, издательство «Мир», Москва, 1979, 213 с
9. Tseytlin E.M. «Features of environmental hazard assessment of mining enterprises», Theses of the report of VII KRAKOW Conference of young
scientists, AGH University of Science and Technology in Krakow, 2012 p.
809-819.
10. Цейтлин Е.М. Методология выбора оптимальных природоохранных решений с помощью интегрального критерия оценки экологической опасности, Материалы международного конкурса научноисследовательских проектов молодых ученых и студентов Евразийского
экономического форума молодежи EURASIA GREEN, Екатеринбург,
2013, С. 23—24.
11. Цейтлин Е.М., Петровичева В.В. Использование интегрального
критерия для определения приоритетных экологических задач горного
предприятия, Тезисы докладов Х Всеукраинская научная конференция
студентов, магистров и аспирантов «Современные проблемы экологии и
геотехнологий», 2013. — 95 с.
14
СОДЕРЖАНИЕ
Цейтлин Е.М.
ОПТИМИЗАЦИЯ НЕГАТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ГОРНОГО
ПРОИЗВОДСТВА С ПОМОЩЬЮ ИНТЕГРАЛЬНОГО
КРИТЕРИЯ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ......................3
CONTENT
Tseytlin E.M.
OPTIMIZATION OF THE NEGATIVE IMPACT OF MINING
PRODUCTION WITH THE HELP OF INTEGRAL CRITERIA
OF ASSESSMENT OF ENVIRONMENTAL HAZARD...............................3
In the current context of limited material resources is an objective and
sufficiently rapid assessment environmental hazard of a technological or
organizational solutions, the enterprise as a whole, is an absolute must. This
article describes a new approach to the evaluation of environmental hazards
of mining, which allows to optimize its negative impact on the environment.
Key words: ecological hazard, ecological safety, negative impact on the environment, assessment of environmental hazard, integral criterion
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ
Цейтлин Евгений Михайлович — аспирант, tseitlin.e.m@gmail.com,
Уральский государственный горный университет.
15
Евгений Михайлович Цейтлин
ОПТИМИЗАЦИЯ
НЕГАТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
С ПОМОЩЬЮ ИНТЕГРАЛЬНОГО
КРИТЕРИЯ ОЦЕНКИ
ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ
Горный информационно-аналитический
бюллетень (научно-технический журнал).
Отдельные статьи (специальный выпуск)
Режим выпуска «молния»
Выпущено в авторской редакции
Компьютерная верстка и подготовка
оригинал-макета И.А. Вершинина
Дизайн обложки Е.Б. Капралова
Зав. производством Н.Д. Уробушкина
Полиграфическое производство Л.Н. Файнгор
Подписано в печать 19.04.13. Формат 60х90/16.
Бумага офсетная № 1. Гарнитура «Times».
Печать трафаретная на цифровом дупликаторе.
Усл. печ. л. 1,0. Тираж 500 экз. Заказ 2653
Отпечатано в типографии
издательства «Горная книга»